Triplett-Exzitonen

Organische Halbleiter haben in den letzten 20 Jahren stark an Bedeutung gewonnen und finden heute vielfältige Einsatzgebiete in der organischen Elektronik, z.B. in Leuchtdioden (LED), Feldeffekt-Transistoren für die Digitaltechnik und für die Hochfrequenztechnik (Smartphones), Photodetektoren und Solarzellen. Sie haben den großen Vorteil gegenüber den anorganischen Halbleitern (Silizium), dass sie für nahezu jeden gewünschten Zweck passend synthetisiert werden können. Für die Entwicklung effizienter Materialien ist ein detailliertes Verständnis der elektronischen Struktur halbleitender Polymere und ihrer Bausteine zwingende Voraussetzung. Die Höhe der Energieniveaus, sowie die Mikrostruktur und Morphologie des Halbleiters sind dabei wichtige Faktoren. Dazu kommt, dass es in organischen Halbleitern auch zur Bildung von Triplett-Exzitonen kommt, deren Wirkung allerdings stark kontrovers diskutiert wird. Unabhängig davon ob die Triplett-Exzitonen einen Vorteil oder Nachteil darstellen, ist eine genaue Kenntnis der Entstehungswege notwendig. Zeitaufgelöste Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (TREPR) ist besonders gut geeignet, zu untersuchen auf welchen Wegen Triplett-Exzitonen entstehen, da sie einen direkten Zugang zu paramagnetischen Zuständen und deren Spinmultiplizität gibt. Darüber hinaus bietet sie auch eine viel bessere spektrale Auflösung als optischen Methoden.

Deborah Meyer und Till Biskup (aus dem Arbeitskreis von Stefan Weber der Universität Freiburg) konnten in Zusammenarbeit mit Florian Lombeck und Michael Sommer (jetzt TU Chemnitz) und Sven Hüttner (Universität Bayreuth) erstmals mittels TREPR einen alternativen Entstehungsweg für Triplett-Exitonen in Cbz-TBT, der Baustein des halbleitenden Polymers PCDTBT, nachweisen. Die WissenschaftlerInnen konnten zeigen, dass eine Lichtanregung mit größeren Wellenlängen (und somit niedrigerer Energie) als die der Absorption des Moleküls (die bei 492 nm im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums stattfindet), zu einer direkten Anregung des Triplett-Zustandes aus dem Singulett-Grundzustand führt. Das ist umso überraschender, da es sich dabei um einen eigentlich spin-verbotenen Prozess handelt. Die so erzeugten Triplett-Zustände unterscheiden sich in ihrer elektronischen Struktur von jenen, die via Interkombination aus angeregten Singulett-Zuständen entstehen. Diese direkte Entstehung von Triplett-Zuständen aus dem Grundzustand hat zudem im hier untersuchten Molekül eine höhere Wahrscheinlichkeit als die Bildung über angeregte Singulett-Zustände. Somit hat dieser alternative Entstehungsweg von Triplett-Exzitonen potentiell eine große Auswirkung auf die Effizienz von Materialien für die organische Elektronik.

_{^[1] Ein Exziton ist ein gebundenes Elektronen-Loch-Paar in Halbleitern und stellt den angeregten Zustand des Festkörpers dar. Er wird durch Absorption  von Licht gebildet. Es gibt hierbei sowohl Singulett-Zustände als auch Triplett-Zustände, die sich u.a. in ihrer Spinmultiplizität unterscheiden.}

Deborah L. Meyer, Florian Lombeck, Sven Huettner, Michael Sommer, Till Biskup

Direct S₀→T Excitation of a Conjugated Polymer Repeat Unit: Unusual Spin-Forbidden Transitions Probed by Time-Resolved Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy

Journal of Physical Chemistry Letters 8 (2017) 1677−1682

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.7b00644

Kontakt:

Dr. Till Biskup

Magnetische Resonanz - Institut für Physikalische Chemie - Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Tel.: 0761/203-67801

E-Mail: till.biskup@physchem.uni-freiburg.de